Systèmes Robotiques Hétérogènes et Coopératifs

Institute for Design and Control of Mechatronical Systems

Systèmes Robotiques Hétérogènes et Coopératifs

UPJV, Département EEA

Fabio MORBIDI

Laboratoire MIS Équipe Perception Robotique

E-mail : [email protected]

CM, TD: Lundi 9h00-12h00 et Mercredi 13h30-16h30, salle CURI 305 TP: Mercredi 13h30-16h30, salle TP204

Master 2 3EA, EC35 - Parcours RoVA

AU 2020-2021


Harald Kirchsteiger 2011/04

Plan du cours

2 Fabio Morbidi

1. Systèmes multi-agents: introduction

2. Théorie des graphes

3. Systèmes dynamiques connectés en réseaux: protocole de consensus

4. Localisation coopérative et SLAM multi-robots

Domaines d’application:

• Systèmes robotiques collaboratifs, modulaires et reconfigurables (en lien avec le Projet Trasversal RoVA – EC63)

• Réseaux de capteurs: objets connectés (IoT), capteurs embarqués dans le vehicule et le bâtiment (domotique), etc.

• Systèmes à grande échelle avec actionneurs et capteurs répartis: Installations industrielles, centrales nucléaires, télescopes géants, infrastructures intelligentes (par ex. réseaux de transport), etc.



Systèmes dynamiques en réseaux: cours en M2

3 Fabio Morbidi

2) “Surveillance Distribuée de Systèmes Multi-Agents” (optionnel: pas dispensé en 2021)

1) “Systèmes Robotiques Hétérogènes et Coopératifs” (RoVA)

Modélisation et commande distribuée de systèmes en réseaux

Traitement des mesures et estimation distribuée dans les systèmes en réseaux



Bibliographie

4

• ‘’Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks’’, M. Mesbahi, M. Egerstedt, Princeton University Press, 2010

• ‘’Distributed Control of Robotic Networks’’, F. Bullo, J. Cortés, S. Martínez, Princeton University Press, 2009 (version électronique disponible sur: http://coordinationbook.info)

Fabio Morbidi

• ‘’Flocking and Rendezvous in Distributed Robotics’’, B.A. Francis, M. Maggiore, SpringerBriefs in Electrical and Computer Engineering, Springer 2016

• ‘’Lectures on Network Systems’’, F. Bullo, CreateSpace, 1re éd. 2018, (vérsion électronique disponible sur: http://motion.me.ucsb.edu/book-lns)



Bibliographie

5

Matériel de cours: http://home.mis.u-picardie.fr/~fabio/Teaching_SRHC20-21.html

Fabio Morbidi

Note finale



Systèmes multi-agents: introduction

6 Fabio Morbidi

Domaine de recherche vaste et pluridisciplinaire:

• Automatique et théorie des systèmes

• Robotique

• Télécommunications (réseau de téléphonie mobile)

• Informatique (systèmes embarqués)

• Mathématiques (théorie des graphes, algèbre linéaire, équations différentielles)

• Intelligence artificielle (réseau de neurones artificiels)

• Réseaux complexes (“Networks”, M. Newman, 2e éd., Oxford Univ. Press, 2018) • Technologiques (Internet, réseaux électrique, routier, de distribution) • D’information (World Wide Web, réseau de citations) • Sociaux (Facebook, Tinder, réseau d’affiliations) • Biologiques (réseaux biochimique, cérébral, écologique)



Qu'est-ce que un système multi-agents ?

Systèmes naturels ...

7

Volée d‘oiseaux Banc de poissons

Essaim d‘abeilles Troupeau de zèbres

Fabio Morbidi

Colonie de bactéries

Colonie de fourmis



Systèmes artificiels … Un système multi-agents est constitué d‘un ensemble d‘unités de calcul autonomes

qui communiquent et collaborent entre eux

8 Fabio Morbidi – 8.03.12 Fabio Morbidi



Harald Kirchsteiger 2011/04 9 Fabio Morbidi – 8.03.12 Fabio Morbidi


Cohorte de robots mobiles





Membres d’un réseau social (Facebook, Twitter, Snapchat, Tinder)



Réseau d’ordinateurs (Internet), objets connectés






Générateurs d’énergie dans un réseau électrique (parc éolien,

panneaux photovoltaïques, etc.)

Réseau de téléphonie mobile

Membres d’un réseau social (Facebook, Twitter, Snapchat, Tinder)


Réseau d’ordinateurs (Internet), objets connectés





Exemples de systèmes multi-agents



“Essaim d'un millier de robots” (Science, 2014)

Vidéo

Cohortes de robots: assemblage programmable

Kilobot

Fabio Morbidi 13

“Shape Formation in Homogeneous Swarms Using Local Task Swapping”, H. Wang, M.

Rubenstein, IEEE Trans. on Robotics, 2020



Cohortes de robots: assemblage programmable

“Robot Pebbles: One Centimeter Modules for Programmable Matter through Self-Disassembly”, K. Gilpin, A. Knaian, D. Rus, in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., pp. 2485-2492, 2010

Robot modulaire (“pebble“)

1 cm

• Matière programmable

"Robotic origamis: Self-morphing modular robot”, J.K. Paik, A. Byoungkwon, D. Rus, R.J. Wood, in Proc. ICMC, 2012.

• Robots origami

Table Moulin à vent Avion en papier

14 Fabio Morbidi



• 2012: Voestalpine Klangwolke, Linz, Autriche, 49 drones

Volées de robots: spectacles de lumière

Vidéo

Fabio Morbidi

Quadrirotor Hummingbird de AscTec

• 2015: Light show d’Intel, 100 drones

• 2016: Light show d’Intel, 500 drones

• Février 2018 (Jeux Olympiques d’hiver de PyeongChang): Light show d’Intel, 1218 drones

• Mai 2018 (Xi’an, Chine): Light show d’Ehang, 1374 drones (1.6M$ - Interférence GPS sur 496)

• 15 juillet 2018: Light show d’Intel, 2066 drones

Vidéo

“Guinness World Record for simultaneously flying

the most unmanned aerial vehicles”

15



Projet Flyfire (laboratoire SENSEable City) en collaboration avec le laboratoire ARES du MIT (2010)

Écran interactif 3D

Vidéo

Fabio Morbidi

Volées de robots: écran 3D

Mini-autogyre équipé d’une lampe colorée

16


Harald Kirchsteiger 2011/04 17 Fabio Morbidi

Manipulation robotique et transport d‘objects

LAAS-CNRS

GRASP lab, UPenn

GRASP lab, UPenn

Robots terrestres Robots aériens



Vidéo

Fabio Morbidi

Robots aériens reconfigurables

18

DRAGON: Dual-rotor embedded multilink Robot with the Ability of multi-deGree-of-freedom aerial transformatiON

Rotors duaux: 1 des 4 modules du drone

ICRA’18 Best Paper Award on Unmanned Aerial Vehicles [Zhao et al., IEEE Rob.

Autom. Lett., 2018]


Harald Kirchsteiger 2011/04 19 Fabio Morbidi

Exploration spatiale robotisée

Groupe de rovers, landers et dirigeables au-dessus de Titan (W. Fink, Caltech, USA) pour l’exploration et la cartographie

Satellite: liaison avec la Terre

Dirigeable

Rover Lander

• Titan est le plus grand satellite naturel de Saturne

• Certains chercheurs suggèrent qu’un possible océan souterrain pourrait servir d’environnement favorable à la vie

• Atterrissage de la sonde Huygens (orbiteur Cassini): 14 janvier 2005


Harald Kirchsteiger 2011/04 20 Institut für Design und Regelung Mechatronischer Systeme

Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Mesure des ondes gravitationnelles:

Trois satellites à une distance de 5 millions de kilomètres

Terrestrial Planet Finder (TPF) – JPL/NASA

Fabio Morbidi

Réseaux de satellites/sondes spatiaux

Réseau de satellites GPS (n° minimum de satellites pour une constellation complète: 24, opérationnels 95% du temps)


Harald Kirchsteiger 2011/04 21 Institut für Design und Regelung Mechatronischer Systeme

Extremely Large Telescope (désert d‘Atacama, Chili – en service en 2024)

Fabio Morbidi

Télescopes optiques géants

Le plus grand télescope géant en cours de construction au monde (lumière visible/proche IR)

• 256 fois la surface photosensible du télescope spatial Hubble

• Il capturera 100 millions fois plus de lumière que l’œil humain

• Miroir concave asphérique (fabricant: Safran): diamètre 39.3 m, poids 150 tonnes • 798 segments hexagonaux (diamètre: 1.45 m) • Optique adaptative: le miroir est soutenu par 30000 supports qui corrigent en temps réel les distortions atmosphériques

“Control limitations from distributed sensing: Theory and Extremely Large Telescope application”, A. Sarlette, R.J. Sepulchre, Automatica, vol. 50, n. 2, pp. 421-430, 2014

Miroir primaire segmenté (nid d’abeille)

79 m


Harald Kirchsteiger 2011/04 22 Institut für Design und Regelung Mechatronischer Systeme Fabio Morbidi

Systèmes embarqués dans le véhicule

• Injection • Contrôle de vitesse • Systèmes d’aide à la conduite: ABS, ESP (correcteur électron. de trajectoire) • Boîte de vitesses automatique • Affichage des informations de base (distance parcourue, vitesse moyenne, consommation moyenne et instantanée de carburant, etc.)

Plusieurs computers de bord connectés. Ils gérent différentes fonctions du véhicule:



Grandes installations industrielles

• Systèmes à grande échelle (par ex. usine pétrochimique, centrale nucléaire)

• Actionneurs (pompes, valves hydrauliques, etc.) et capteurs (mesure de pression, niveau, température, etc.) connectés en réseaux et physiquement distants

Capteur Actionneur



Autoroutes intelligentes

• Actionneurs: panneaux de signalisation (limitation de vitesse, selection nombre de voies, accès aux rampes, etc.)

Boucle inductive

• Capteurs: boucles inductives ou radars (mesure des données de circulation: débit, vitesse, taux d'occupation, etc.)



Échange d'informations par interaction locale

Localité dans la communication

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Localité dans la perception

Les agents partagent les informations avec leurs voisins sur un canal de communication

• Contraintes sur l‘energie: les agents peuvent communiquer directement seulement avec ceux qui sont situés à une courte distance (les voisins)

• Contraintes sur la bande passante: si la masse de données éxchangées simultaneament par les agents est importante, le canal de communication peut saturer rapidement

Les agents peuvent extrapoler des informations sur les autres et sur l‘environnement grâce à des capteurs embarqués • Cependant, tout capteur a une plage de mesure et une résolution limitées

Capteur de vision Anneau de sonars ou de capteurs IR

Capteur tactile

Télémètre laser

Fabio Morbidi

Exemples:



Représentation des interactions: les graphes

Graphe de proximité

26

L‘existence d‘une arête dans le graphe indique que deux sommets voisins (c‘est-à-dire, deux agents) sont dans les plages respectives de détection

v 1

v 2

v 3

v 4

v 5

v 6

v 7

1

2

3

4 5

6 7

Fabio Morbidi

Graphe de proximité



Graphe non orientée

27

L‘interaction entre les agents est bilatérale

v 1

v 2

1

2

Fabio Morbidi

Graphe orientée L‘interaction entre les agents est unilatérale

2

1

“L‘agent 1 voit l‘agent 2 et l‘agent 2 voit l‘agent 1“

“L‘agent 2 voit l‘agent 1 mais l‘agent 1 ne voit pas l‘agent 2“

v 1

v 2

Représentation des interactions: les graphes



Classification des systèmes multi-agents

28

[Baran, IEEE Trans. Comm. Syst., 1964]

Fabio Morbidi

Centralisé Décentralisé Communication “all-to-all” (graphe complet)

• Système monolithique vs système en réseau

Différents types de systèmes en réseau (réseau matériel ou immatériel)

Distribué

• Système homogène vs système hétérogène

Les agents sont tous du même “type” (espèce) ou ils ont des caractéristiques différentes



Classification des systèmes multi-agents

29 Fabio Morbidi

• = nombre de tâches • = nombre d’agents

Soit:

Alors, selon le Prof. V. Kumar (GRASP lab, Univ. of Pennsylvania):

Coordination Coopération Collaboration • Fonction de coût commune • Interchangeabilité • Tâches identiques ( ) • Efficacité augmente linéairement avec

• Agents peuvent avoir des fonctions de coûts/tâches différentes • Récompense de la mission = “somme” des récompenses de chaque tâche • Efficacité des tâches individuelles diminue avec • Efficacité de la “mission” augmente avec

• Équipes homogènes peuvent pas être capables de compléter une tâche • Hétérogénéité ( espèces) • Efficacité de la “mission” augmente (potentiellement de façon superlinéaire) avec et



Systèmes multi-agents: algorithmes

30

Distribués

Scalables

Synchrones

• Nous sommes intéressés à des algorithmes de coordination pour systèmes dynamiques en réseaux, qui sont:

Fabio Morbidi

Nous étudierons les propriétés d‘un algorithme très important qui possède toutes ces caractéristiques: le protocole de consensus

(“Redécouvert“ en 2003, après la thèse de doctorat “Problems in Decentralized

Decision making and Computation“ de John Tsitsiklis au MIT en 1984)

Documents

Systèmes Robotiques Hétérogènes et Coopératifs